基于虛擬桌面技術康復實驗教學模式的構建及應用*

尹敏敏 張奕雯 黃昭鳴

前言

使用虛擬現(xiàn)實技術就是將物體設備虛擬化，通過將計算機硬件設備和網絡技術構建的軟件與硬件交互、軟件之間交互的中間層，利用軟件的可擴展性及靈活的特性，來滿足上層接口的調用需求。虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于康復訓練[1]和康復教育[2,3]領域，其效果也得到相關研究的證實[4]。新一代的虛擬現(xiàn)實技術為實現(xiàn)虛擬桌面提供了強有力的支撐，如何讓虛擬桌面為康復實驗教學的建設提供助力，使教育信息化技術更好地為師生提供優(yōu)質的資源和訪問體驗，構建基于虛擬桌面技術的康復實驗教學模式是教育康復學及相關專業(yè)快速發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。

1.虛擬桌面與康復實踐教學

云技術區(qū)別于傳統(tǒng)的單機聯(lián)網模式，作為一種新興的技術，被認為是繼電腦、互聯(lián)網后的電子信息領域的一場重大的變革[5]。云技術的核心思想是將大流量用于網絡連接的計算機資源統(tǒng)一管理與調度，構成一個計算資源庫，向用戶按需求服務。利用云技術可以極大地提高平臺和軟件的利用率，云技術的平臺即服務（PaaS）就可通過虛擬桌面發(fā)布方式來實現(xiàn)服務訪問。虛擬桌面將系統(tǒng)的硬件、軟件、數據、存儲等資源組成統(tǒng)一的資源庫。桌面虛擬化構架(Virtual Desktop Infrastructure，簡稱VDI)將服務器虛擬成許多桌面虛擬機，讓用戶能夠像操作普通電腦一樣，其數據處理都集中在服務器端。虛擬桌面的最大特點是可以通過任何設備，在任何地點、時間訪問網絡上屬于個人的桌面系統(tǒng)[6]。通過虛擬技術將用戶的數據信息集中存儲、計算機管理，而用戶端只需要連接網絡設置，就可以實現(xiàn)資源的訪問，教師或學生只需要專心進行實驗而不需要知道哪個服務器在提供服務[7,8]。

2013年華東師范大學在全國率先設立教育康復學本科專業(yè)。教育康復學是整合教育與康復的手段和方法，為兼具教育和康復兩種需求的兒童提供服務的一門交叉學科。教育康復學重視學生實踐能力的培養(yǎng)，改變了傳統(tǒng)特殊教育以教育為主的模式。對教育康復學及相關專業(yè)的學生而言，在實驗室中需要通過小組模擬的形式掌握評估、個別化康復訓練、集體教學的相關技能，為實踐課的順利開展做準備。教育康復專業(yè)基于綜合康復的課程體系，各康復功能板塊實驗室不僅應配備相應實驗室、康復儀器設備、測試工具等硬件，也需要康復課件庫、康復資源定制庫等軟件資源。實踐能力是教育康復學本科生培養(yǎng)的核心任務之一，做好實踐能力的培養(yǎng)，系統(tǒng)、規(guī)范的實踐教學標準至關重要。目前大多數高等院校都存在開展康復實驗課程困難，實驗室及實驗儀器、設備數量有限，儀器和設備更新速度慢，實驗資源嚴重缺乏，師資缺乏且培養(yǎng)周期長等現(xiàn)象[9]。

教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》，要求“利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施”，推進“實驗教學平臺等信息化建設”[10]。各高校為積極響應建立“實驗教學平臺”的要求，搭建了基于“互聯(lián)網+”的實踐教學平臺。互聯(lián)網的優(yōu)勢在于實時性、交互性、可擴展性，可幫助學校有效地消除時間和空間問題帶來的不便。鑒于教育康復對象的特殊性以及教學設備的局限性，本研究構建了基于虛擬桌面技術的康復實驗教學模式，從而增加了學生動手練習的機會。與傳統(tǒng)實驗課程相比，利用虛擬桌面的實驗室能大大節(jié)約實驗成本，提高設備利用率，不受時間、空間、設備和師資等條件限制，交互性好，開放性與共享性強等[11]。

2.基于虛擬桌面技術的康復實踐課的構建

基于虛擬桌面技術及理論，本研究構建了康復實驗教學模式，如圖1所示。

2.1 模式解析

康復實驗教學模式由云教育、云訓練、云考核三個核心板塊組成，這三個板塊都以“綜合康復理論”為基礎。在教育康復實踐中，經常會遇到同類殘疾兒童伴有多重障礙的情況，以腦癱患兒為例，有研究表明：73.55%的患兒有言語和語言障礙；31.6%的患兒有聽覺障礙；15.06%的患兒伴有癲癇；20.5%的患兒伴有斜視；約有2/3以上的腦癱兒童伴有智力低下和不同程度的認知能力障礙[12]。另外，多重殘疾兒童一定表現(xiàn)出多重障礙。因此，對有多重障礙的兒童必須進行多重干預，即綜合康復。實施綜合康復，必須架構起現(xiàn)代康復醫(yī)學理論與特殊教育學校實踐之間的橋梁。根據現(xiàn)代康復醫(yī)學的理論與障礙兒童的需要，華東師范大學教育康復系建構了綜合康復體系，該體系由7個康復功能模塊構成，即：言語功能評估與訓練、聽覺功能評估與訓練、語言能力評估與訓練、認知能力評估與訓練、情緒行為評估與訓練、學習能力評估與訓練和運動能力評估與訓練[12]。

圖1 康復實驗教學模式

2.1.1 云教育

云教育板塊提供線上的教育資源，包括“康復學習”“專題培訓”和“示范視頻”三個部分?！翱祻蛯W習”板塊中包含了大量的康復相關課件。課件內容與康復工具相輔相成，有綜合康復體系的7個板塊的主題，每個主題中的內容都遵循“概述—評測方法—訓練原則—解決方案”這一循序漸進的原則，使學習者在閱讀完課件后可以對感興趣的對象有一個系統(tǒng)的認識，具備專業(yè)的理論基礎。“專題培訓”將教學視頻分類后呈現(xiàn)給學習者，每個視頻針對一個特定主題，分階段地圍繞數個重點作詳細的講解。視頻既是課件的詳解，又是課件的衍生，將視頻和課件結合起來學習，可以達到非常好的教學效果?！笆痉兑曨l”人性化地按照教學形式、障礙類型、示范形式對視頻進行了分類，使教師和學生更形象、更具體地進行學習。

2.1.2 云訓練

精準的評估、有效的訓練、實時的監(jiān)控是進行康復訓練的三部曲?！霸u估（Assessment）—訓練（Training）—監(jiān)控（Monitor）”相結合，簡稱“ATM”。其中，評估可以明確患者的障礙類型、障礙程度，為訓練方案的制訂提供依據；訓練可以使康復方案落到實處，循序漸進地提高患者的能力；監(jiān)控主要對患者康復過程中的療效進行動態(tài)評估與監(jiān)控，有助于及時發(fā)現(xiàn)問題、確保訓練的有效性。這三個環(huán)節(jié)循環(huán)往復，共同推進康復順利實施。

2.1.3 云考核

康復實驗的考核分為理論和實踐兩部分。理論考核是教師對學生康復知識、案例分析以及康復方案的設計等方面掌握情況進行評分；實驗考核是學生面對康復對象的實踐過程中，將整個實驗結果包括視頻、音頻、實驗報告、動態(tài)監(jiān)控指標等推送給教師，教師根據學生提交的資源進行評分。這樣，教師既可以監(jiān)控學生對實驗課程的學習進度，也可以完成康復實驗課的考核環(huán)節(jié)。

2.2 模式特色

2.2.1 實現(xiàn)智能虛擬機

該模式可以為每一個教師和學生準備虛擬電腦，它可以由任何一個智能設備（電腦、平板、手機）登錄。登錄后可遠程訪問一臺虛擬機，虛擬機是通過虛擬技術把硬件分割成小部分，每部分單獨搭載操作系統(tǒng)和運算資源的“計算機”。這樣，教師和學生就好像帶了一個無形的筆記本電腦，用戶只要在聯(lián)網環(huán)境下就能隨時登錄訪問同一臺電腦，進行實驗課程的學習及操作。

2.2.2 提升資源的利用率

康復實驗課程的實施需要做到快速、便捷地交付給學生實驗資源。實驗資源既包括硬件資源，如康復評估設備、康復訓練設備、測試工具等，也包括軟件資源，如課件庫、案例庫、素材庫（文本、圖像、音頻和視頻）等。虛擬桌面系統(tǒng)集中了所有資源，能夠實現(xiàn)多個桌面同時運行，在實驗室中進行不同軟件的安裝和不同系統(tǒng)的配置，從而滿足不同實驗教學的要求，而在軟件的維護、升級、安裝過程中，也具有更大的便利性[13]，大大促進了資源共享。

2.2.3 不受時間、空間的限制

在傳統(tǒng)的實驗中，教師只有到專用的實驗室才可以演示操作實驗儀器，而且有限的空間和儀器的數量遠遠不能滿足學生練習的需求。虛擬桌面資源的開放性可以很好地解決此問題。虛擬桌面提供的儀器設備資源能模擬實驗儀器并進行相應操作，模擬整個實驗過程并將實驗結果在計算機中采用聲音、顯示技術等反饋出來。

3.康復實驗流程

教育康復學虛擬實驗的操作流程分為以下幾個步驟：（1）實驗預習：通過云教育進行綜合康復教育，實現(xiàn)智能PPT、云設備、云課件三維一體，實現(xiàn)康復教學資源多點共享。（2）實驗設備教學：教師講解實驗設備原理、操作過程、注意事項以及實驗設備應用等。虛擬桌面系統(tǒng)也提供設備學習的視頻資源，可供教師與學生學習。（3）虛擬實驗：學生可以隨時進入虛擬實驗室操作儀器設備，進行評估與訓練，系統(tǒng)地完成綜合康復流程。（4）數據分析：對案例進行評估與訓練，獲得此案例的相關數據并進行分析。（5）實驗報告管理：數據分析后可獲得實驗報告；將獲得的實驗報告進行數據上傳，即可傳至教師賬號，教師可隨時在網上調閱學生的實驗報告。（6）實驗考核：教師可根據學生上傳的實驗報告進行日常實驗課的考核。虛擬桌面系統(tǒng)也提供系統(tǒng)的理論考核與實踐考核，實現(xiàn)綜合康復的考核。

4.虛擬桌面模式在課程中的應用案例解析

4.1 《言語障礙的評估與訓練》課程介紹

《言語障礙的評估與訓練》課程的主要內容包括呼吸障礙、發(fā)聲障礙、共鳴障礙的臨床表現(xiàn)，評估手段和言語矯治的實用方法。該課程包括理論課程和實驗課程兩部分。實驗課程需要借助設備對各類言語障礙定量評估手段和實時矯治方法進行講授。實驗操作部分主要依托虛擬桌面平臺進行，通過模擬和實操相結合的方式培養(yǎng)學生在個訓課評估和訓練過程中所需要的基本技能。

4.2 應用言語障礙測量儀開展言語基頻的測量

下文介紹如何運用基于虛擬桌面技術的言語障礙測量儀(由上海泰億格康復醫(yī)療科技股份有限公司授權使用)獲取言語相關的數據。言語障礙測量儀利用數字信號處理技術和實時反饋技術，具有定量測量和實時訓練言語功能。其中，音調是評價言語障礙的一個重要參數，音調異常不但會使發(fā)聲系統(tǒng)受到損害，也會影響其言語的清晰度和可懂度。測量流程為：準備工作→錄音矯正→新建/選擇用戶記錄→參數設置→錄入聲音→提取數據。以某名6歲女性患兒為例，獲取的統(tǒng)計報告如圖2所示。參照中國人平均言語基頻的參考標準，該患兒平均基頻遠遠高于正常同齡同性別的兒童，存在高音調問題，建議立即進行降低音調的訓練。

圖2 言語基頻統(tǒng)計報告

4.3 應用言語障礙矯治儀開展高音調的矯治

言語障礙矯治儀提供實時的、可以激發(fā)言語產生的聲控卡通游戲，可以針對呼吸、發(fā)聲、共鳴功能進行訓練，制定合理的矯治方案，為發(fā)音能力奠定基礎。如針對患兒存在的高音調問題，可進行降調的訓練，降調訓練有撞球、茶壺、空戰(zhàn)、奇妙海、劃船、小惡魔、小天使、宇宙飛船等多個游戲。以小惡魔游戲為例，說明對康復對象進行降調訓練的過程。

在完成訓練游戲之后，系統(tǒng)會自動記錄游戲的結果數據。對小惡魔游戲結果采用以下兩種分析：（1）對每一次訓練的結果記錄進行分析。在每一次訓練過程中，實時記錄患者的平均言語基頻的客觀數據，監(jiān)控患兒的訓練效果。（2）選擇十條以上相同的游戲記錄，并為基線期和處理期選擇五條以上相同數量的記錄，進行單一被試分析，監(jiān)控患兒的訓練效果。

結語

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬實驗室不再是科學研究領域和工程應用領域的專屬，它已進入到教育領域。教育康復行業(yè)剛剛起步，康復實踐的重要性已無須贅述。本研究提出基于虛擬桌面技術的康復實驗教學模式的構建，初步解決了目前康復實驗課程的教學資源和教師師資相對匱乏的問題。新一代的信息化技術為實現(xiàn)虛擬實驗室提供了強有力的支撐，如何使教育信息化技術更好地為教育康復行業(yè)提供更加沉浸感的虛擬仿真實驗室，更好地為師生提供優(yōu)質的資源和訪問體驗，是未來實驗室建設和發(fā)展的方向。